Service de physique de l'état condensé

NeuroNanotech will train eleven researchers to tackle one of the major challenges in Europe’s ageing population - neurological diseases. The ability to monitor and modulate neural activity using interfaces has enabled a better understanding of brain function and has led to therapeutic solutions for some neurological disorders. Yet, fundamental technological challenges, such as ensuring proper brain tissue interfacing and reliable long-term recording/stimulation after implantation, impede widespread clinical use. New approaches to provide effective treatments are urgently needed. NeuroNanotech will develop novel nanostructured flexible neural interfaces with highly improved tissue integration, minimizing foreign-body reactions and tissue scarring and allowing stable stimulation treatments. As main innovation, we will develop minimally invasive, ultra-sensitive spintronic magnetic sensors able to record stably without interfering with stimulation signals and avoiding electrode degradation. Connecting both interfaces, we will construct a low-invasive, closed-loop neurostimulation system that integrates feedback signals from the neural activity and provides real-time stimulation of the target structures according to the patient´s needs. To achieve these goals, NeuroNanotech brings together experts in nanotechnology, device engineering, neuroscience and clinical neurology. The individual research projects are highly interconnected, ensuring interdisciplinary training. Researchers will benefit from training in advanced research and relevant complementary skills, imparted by an international and intersectoral consortium of research institutes, universities, companies, hospitals and social organisations from 9 different countries. We will provide researchers a unique environment focused on innovation and collaboration, with a view to commercial applications of the research results. This framework will open researchers avenues in both academia and health-related industry.

The ELEQUANT project proposes a paradigm shift in quantum technology by exploiting flying qubits, presenting a transformative alternative to mainstream approaches such a superconducting or semiconducting qubits. While photon-based flying qubits face challenges in real-time manipulation and interaction due to their fast propagation speed and weak photon-photon interaction, ELEQUANT aims to harness the potential of electronic charges for superior scalability and connectivity. Through pioneering research in the manipulation of electronic wavepackets in semiconductor nanostructures, the project strives to achieve the ambitious goal of realizing high-fidelity flying charge qubits and demonstrating entanglement between them. Key objectives include the development of novel quantum materials platforms based on strained Ge and multi-layered graphene. By establishing a comprehensive roadmap for solid-state flying qubit technology, ELEQUANT seeks to accelerate innovation in quantum technology and foster collaborative partnerships with industry stakeholders on a European scale. With a focus on scalability, connectivity, and coherence, ELEQUANT aims to propel quantum technology into a new era of unprecedented capabilities and applications.

Les matériaux 2D de haute qualité sont importants pour les progrès en nano-fabrication et en nano-optoélectronique. Les réseaux fonctionnels supramoléculaires auto-assemblés (SAMN), dans lesquels les molécules fonctionnelles s'auto-organisent par physisorption sur un substrat, sont très polyvalents en termes de briques moléculaires et groupes fonctionnels possibles. Toutefois, ces assemblages non covalents sont généralement labiles et présentent une faible stabilité thermique. Pour pallier ces limitations, la photoréticulation « à la demande » du réseau moléculaire semble être une solution prometteuse. Jusqu'à présent, seules des études thermiques et quelques études de photoréticulation ont été rapportées, toutes dans des conditions d'ultravide et sans fonctions spécifiques. Le projet PANEL vise à réaliser des réseaux covalents 2D basés sur des tectons moléculaires auto-assemblés sur mesure (monomères ou oligomères) via une réticulation induite par la lumière dans des conditions ambiantes, à l'interface air-solide ou liquide-solide. Ce projet implique des chimistes et des physiciens, s'appuyant sur notre expérience antérieure dans le développement de SAMN spécifiques, PANEL relèvera 3 défis scientifiques principaux : Conception et synthèse de nouveaux tectons moléculaires spécifiques, caractérisation des assemblages 2D par sonde locale, caractérisation de la monocouche réticulée après irradiation. Nous caractériserons ces SAMNs optiquement et en utilisant des sondes locales à différents stades du processus de fabrication. L'assemblage de blocs moléculaires fluorescents fonctionnels permettra l'émergence de nouvelles propriétés optiques grâce au positionnement précis à l'échelle nanométrique des mono/oligomères fonctionnels formant le SAMN, le but ultime étant de démontrer un film monocouche « zéro défaut » tel qu'une monocouche fonctionnelle organique émettrice de lumière.

Ce projet porte sur l'étude des phénomènes électronique quantiques à travers les jonctions dans des matériaux bidimensionnels (2D). Le projet combine la croissance, la microscopie à effet tunnel (STM) et les calculs ab initio pour étudier les processus électroniques dans des jonctions planaires, responsables des phénomènes de transport dans le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition. Les ondes de densité de charge et la diffusion des fermions de Dirac dans les jonctions seront étudiées en utilisant la capacité du STM à visualiser les interférences électroniques et la densité d’état électronique, en combinaison avec des calculs ab initio. Des défauts contrôlés seront introduits pour visualiser la réponse électronique des matériaux 2D dans des hétérostructures planaires. Les résultats de cette étude fourniront des informations précieuses sur le transport quantique et les effets des impuretés dans les matériaux 2D au travers de jonctions.

Pour les alternatives logiques beyond-CMOS, les dispositifs spintroniques offrent un potentiel de miniaturisation au prix d'énergies de commutation élevées. Les matériaux magnétoélectriques multiferroïques devraient permettre de contrôler l'aimantation à l'aide de champs électriques intrinsèquement peu consommateurs, mais cette solution a donné des résultats limités au niveau des dispositifs. BiFeO3 reste le matériau multiferroïque le plus étudié, car il présente à température ambiante une polarisation ferroélectrique robuste et un antiferromagnétisme non colinéaire couplés. Dans la logique magnétoélectrique à spin-orbite (MESO), l'aimantation d’un nano-aimant, adjacent à un matériau multiferroïque dérivé de BiFeO3, est commutée uniquement avec une tension et lue par conversion spin charge. Dans la première démonstration expérimentale de MESO, le contrôle magnétoélectrique d'un ferromagnétique CoFe s'est avéré non déterministe. Nous cherchons à simplifier l'état natif de films minces multiferroïques de BiFeO3 pour obtenir une commutation déterministe de la polarisation et de l'antiferromagnétisme. Dans ce contexte, nous avons récemment observé une transition de phase antiferromagnétique, entre des ordres non colinéaires et colinéaires, déclenchée par la commutation de la polarisation de films minces de BiFeO3 à domaine unique. Le projet DEMIETTES vise à explorer l'influence d'une telle transition de phase antiferromagnétique sur l'aimantation d'une couche ferromagnétique adjacente. Nos objectifs sont de : (i) concevoir une commutation déterministe de la polarisation ferroélectrique à partir d'états à domaine unique dans BiFeO3 épitaxié ; (ii) déclencher une transition de phase antiferromagnétique non volatile par commutation de polarisation et comprendre son origine ; (iii) explorer la dynamique de l'aimantation des deux phases ; (iv) exploiter cette commutation multiferroïque pour contrôler l'aimantation d'une couche adjacente dans des dispositifs à l'état solide.

Les signaux RF sont maintenant omniprésents. Les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) sont largement utilisés pour la séparation de fréquences. Bien qu’économes en énergie, les dispositifs SAW fonctionnent principalement dans des applications à bande étroite et effectuent des opérations linéaires à fréquence conservée. Les couches minces et les cristaux de KNbO3 (KNO) ont un couplage électromécanique plus élevé que tout autre matériau compatible SAW, mais ils n’ont jusqu’à présent presque jamais été utilisés en raison de leur croissance très difficile et du coût associé. La résolution de cette difficulté est en cours. Leur couplage électromécanique record permettrait de concevoir des transducteurs large bande, les rendant adaptés au traitement de signaux non linéaires, y compris les applications de conversion de fréquence. À l’inverse, les ondes de spin (SW) sont utilisées dans des applications micro-ondes nécessitant une non-linéarité. En effet, les SW sont facilement amenées dans des régimes non linéaires (il existe des « collisions » entre ondes de spin) et des seuils de puissance séparent alors des comportements qui peuvent être radicalement différents. Cela est particulièrement prégnant dans les nanostructures à base de multicouche, car la quantification des SWs exacerbe certains canaux de couplage. NELSON utilisera les spécificités des ondes de spin – large bande passante et non-linéarité intrinsèque– pour conférer cette non-linéarité aux dispositifs micro-ondes SAW basés sur KNO. Nous conçoirons des limiteurs de puissance et de convertisseurs de fréquence sans oscillateur local, le tout sur une plateforme SAW. Le consortium rassemble 4 labos qui ont une expertise dans la science des matériaux et la physique des piézos (FEMTO-ST), des empilements spintroniques pour la magnonique non linéaire (CEA), du couplage de SW et AW et leur imagerie (INSP), et des spectroscopies électriques et optiques des SWs (C2N).

Les vitrocéramiques consistent en des nano/microcristaux dispersés dans un verre résiduel. Ces matériaux méso-structurés ont de nombreuses applications, dans les implants médicaux ou les écrans de smartphone... Cependant, leur fissuration par corrosion sous contrainte (CSC) a été peu étudiée. Ce phénomène, qui dépend fortement de l'humidité relative et de la température, ainsi que du matériau (composition chimique et microstructure), peut restreindre considérablement leur utilisation en raison de la propagation des fissures pour des contraintes faibles. Ce projet vise à comprendre le lien entre la structure des vitrocéramiques et leur comportement en rupture (de la fissuration par CSC à la fracture dynamique) en réunissant des experts de différents domaines. Il regroupe l'UFSCar au Brésil (experts en développement, fabrication et caractérisation de vitrocéramiques et simulation informatique), l'IPR de l'Université de Rennes (experts en mise en forme d'échantillons, essais mécaniques, simulation multi-échelle) et le CEA (experts en CSC et analyse statistique). Le projet comprend trois axes principaux : 1/ La fabrication d'échantillons et la caractérisation structurale et rhéologique avec des techniques comme l'AFM, le Raman, le MEB. 2/ Le comportement en rupture : Ce travail permettra d'établir la courbe complète de CSC, dans des conditions contrôlées, de la limite de fatigue statique à la résistance à la rupture. La surface de fracture sera aussi analysée à l’aide d’outils statistiques. Les données expérimentales seront complétées par des simulations à différentes échelles, ce qui permettra de mieux comprendre les changements structuraux induits mécaniquement. 3/ Ces données serviront à établir les relations entre structure d'une part et propriétés mécaniques, de fracture et de CSC d'autre part. Cette collaboration comprendra des échanges fréquents entre les deux pays et impliquera des étudiants qui bénéficieront grandement des différentes expertises.

Pourquoi est-il si difficile d’obtenir un qubit robuste ? Un qubit doté d’un temps de cohérence long, permettant aux ingénieurs d’aller au-delà de la recherche et du développement et de construire des ordinateurs quantiques fonctionnels ? Les bits classiques sont insensibles au bruit en dessous d’un certain seuil, correspondant à l’énergie nécessaire pour basculer physiquement entre 0 et 1. Les bits quantiques, en revanche, commenceront à se déphaser dès qu’il y aura des fluctuations. De nombreuses stratégies pour réduire le bruit, de manière passive ou active, sont actuellement étudiées pour relever le défi de la fabrication de bits quantiques résilients. Voltangle cherche à exploiter la synchronisation quantique pour réduire la décohérence dans un qubit supraconducteur. Huygens a d’abord observé le verrouillage de phase dans l’oscillation de deux pendules suspendus sur un mur. Les jonctions Josephson, qui obéissent aux mêmes équations dans la limite classique, peuvent également être synchronisées entre elles ou avec un source micro-onde externe, ce qui donne lieu à un phénomène appelé pas de Shapiro. Fait remarquable, la limite quantique des pas de Shapiro est inconnue. Voltangle propose des expériences sur des circuits quantiques pour démontrer la synchronisation avec un source micro-onde externe défini avec précision : la première observation des pas de Shapiro quantiques. La synchronisation se traduit par un état fondamental dégénéré, potentiellement insensible au bruit. La base de calcul est formée d'états de tension quantiques, superpositions de deux tensions distinctes et opposées, verrouillées sur la fréquence de commande micro-onde avec une précision de quelques parties par milliard. L'étude de ces états de tension « enchevêtrés » peut non seulement conduire à de meilleurs qubits, mais répondra également à des questions majeures ouvertes en dynamique quantique non linéaire et permettra l'observation des phénomènes intrigants comme les bandes de Floquets

La division entre bosons et fermions est centrale en mécanique quantique. Cependant, cette distinction a été remise en question théoriquement à partir des années 80. En dimension réduite, des particules appelées "anyons" peuvent exister, avec une phase d'échange fractionnaire, intermédiaire entre celles des bosons et des fermions. Très tôt, les théoriciens ont identifié les quasiparticules de l'Effet Hall Quantique Fractionnaire (EHQF) comme étant des anyons, et la statistique fractionnaire de ceux-ci a récemment été établie dans deux expériences pionnières. Cependant, les conditions expérimentales extrêmes dans lesquelles ces états anyoniques émergent rendent leur étude extrêmement difficile, et tout progrès rapide dans leur compréhension ainsi que leur manipulation est donc incertain. Dans le projet ANYQUAC j'implémenterai une nouvelle approche en construisant des anyons dans le régime d'Effet Hall Quantique Entier (EQHE) avec des outils issus des circuits quantiques, en m'inspirant de propositions théoriques récentes. Alors que le régime EHQF et ses excitations fractionnaires émergent d'interactions Coulombiennes mal contrôlées, ici, la fractionalisation provient de l'énergie de charge d'îlots mésoscopiques, qui corrèle le transport de charge dans les canaux de bords dans le régime de l'EQHE. Ce dernier offre de multiples avantages en comparaison de son cousin fractionnaire: ses ingrédients de base sont décrits par une physique sans interaction, et ses plateaux de conductance sont métrologiquement robustes dans des conditions beaucoup moins extrêmes. La magnitude de l'interaction sera directement donnée par le facteur de remplissage accordable de l'EQHE et l'énergie de charge, ce qui permettra des régimes de fractionalisation inatteignables dans le régime EQHF. En combinant des techniques ultra-sensibles de mesure de conductance et de bruit de grenaille, l'interférométrie électronique et les techniques hautes fréquences, je révèlerai la nature anyonique des excitations du système et caractériserai leur cohérence quantique, et soulignerai les similarités et différences d'avec leurs cousins fractionnaires. Ceci représentera une étape majeure dans l'émergence d'analogues d'optique quantique avec des anyons utilisant des systèmes modèles fortement corrélés et accordables.

The ocean absorbs 90% of the heat associated with global warming and 30% of anthropogenic CO2. How such tracers are accumulated and redistributed within the turbulent ocean is a central issue of long-term climate prediction. The challenge stems from the existence of ocean mesoscale eddies: turbulent vortices tens of kilometers wide that are not resolved by climate models despite being key contributors to ocean transport. In the absence of a better theory, the associated transport is parameterized in global models using ad hoc coefficients with arbitrary depth dependence. The present project will improve upon this unsatisfactory state of the art. Based on a multi-method approach combining theory, laboratory experiments, numerical simulations and satellite data analysis I will derive a physically-based parameterization for turbulent transport in the 3D ocean. The derivation hinges on my recent quantitative theoretical advances for the magnitude and 3D structure of turbulent transport in the canonical models of oceans and atmospheres (the Charney, Eady and Phillips models): - I will augment these theories by including the additional physical ingredients of the real ocean: bottom slope, arbitrary large-scale flow and density stratification, etc. - I will determine the frictional dissipation on the ocean floor by combining rotating-platform laboratory experiments with 3D-printed realistic ocean-floor topography. - I will infer transport and bottom friction independently through the combination of satellite and profiler data. - I will derive the resulting parameterization using multiple-scale expansion before implementing it in a state-of-the-art climate model. As opposed to the current practice of adjusting transport coefficients to the current state of the ocean, the physically-based parameterization will remain valid in a warming climate, a necessary condition both for paleoclimate studies and for reliable climate forecast over the coming centuries to millennia.

Dans le contexte de l'électrification et de la décarbonisation de l'industrie chimique, ce projet vise à étendre le champ d'application des processus photoélectrochimiques aux chaînes de valorisation de la biomasse. En effet, des dispositifs photoélectrochimiques solaires décentralisés pourraient être facilement intégrés dans des bioraffineries de taille moyenne traitant des sources locales de biomasse. Pour démontrer la faisabilité de cette approche, SOLBIOPEC vise la conception et l'assemblage d'une cellule photoélectrochimique capable de valoriser les molécules furaniques issues de la biomasse (furfural, 5-hydroxyméthylfurfural) en biocarburants ou en précurseurs pour l'industrie chimique (méthylfurane, alcool furfurylique, acide furandicarboxylique) sous illumination solaire simulée. Pour obtenir des performances élevées, des photocathodes seront préparées à partir d'absorbeurs de haute qualité, impliquant la croissance épitaxiale de semi-conducteurs III-V protégés par une couche d'oxyde épitaxiale, tandis que des photoanodes BiVO4/WO3 de dernière génération compléteront le dispositif. Ces photoélectrodes seront décorées avec des électrocatalyseurs garantissant des vitesses de réaction et une sélectivité élevées à leur surface. La photoanode et la photocathode les plus performantes seront connectées en série pour former une cellule photoélectrochimique fonctionnelle avec une surface active de 20 cm². Afin de rationaliser et d'optimiser les performances des photoélectrodes, des techniques avancées de spectroscopie operando seront utilisées en laboratoire et dans les installations synchrotron pour étudier les interactions lumière-matière, les processus de transfert de charge et les voies de dégradation dans les conditions d'utilisation. Le projet sera réalisé par un consortium d'experts en croissance épitaxiale (CNRS INL), en caractérisation photoélectrochimique operando (CEA SPEC) et en caractérisation et test de dispositifs photoélectrochimiques (CNRS IRCELYON).

Le projet FORLIGHT ambitionne de développer des films d'oxynitrures ferroélectriques épitaxiés, de structures cristallines pérovskites, avec des largeurs de bandes interdites / structure de bande, et des textures ferroélectriques ajustables grâce à une stratégie de dopage bien pensée et adaptée pour une meilleure absorption de la lumière visible. Ce qui est un paramètre crucial pour les technologies disruptives liées à la collecte de l’énergie solaire. L'équipe qui porte le projet possède l'équipement et le savoir-faire nécessaires pour élaborer et caractériser les propriétés physiques significatives (photo-activité, ferroélectricité) de telles couches minces. Les films seront réalisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma atomique et par laser pulsé. La combinaison unique de compétences/techniques disponibles permettra d’étudier systématiquement les échantillons pour leurs performances de photolyse de l’eau, la stabilité chimique, le courant photovoltaïque, la fenêtre optique, la texture des domaines ferroélectriques et la sensibilité à la lumière des parois du domaine ainsi que les réponses ferroélectriques macroscopiques par rapport à la largeur de bande interdite.